Цилиндрични и конусно-цилиндрични редуктори

• Цилиндричните и конусните зъбни предавки са сред най-използваните типове механични системи в съвременната машиностроителна индустрия
  
  
• Особено популярни в практиката са конусно-цилиндричните редуктори, които съчетават конструктивните предимства на двата типа механизми
  
  
• Модулните принципи в дизайна и производството на тези механизми осигуряват множество инженерни ползи във връзка с функционалността и ефективността

Цилиндричните и конусните зъбни предавки са сред най-използваните типове механични редуктори в съвременната машиностроителна индустрия. Те се предлагат в разнообразни варианти с различни специфики и преимущества. По отношение на взаимното разположение на геометричните оси на колелата – при цилиндричните механизми те са успоредни, а при конусните са пресичащи се, като зацепването може да бъде външно, вътрешно или гребенно.

Според надлъжната форма на зъбите цилиндричните и конусните редуктори могат да бъдат с прави или наклонени зъби. Особено популярни в практиката са конусно-цилиндричните предавки, които съчетават конструктивните предимства на двата типа системи.

Модулните принципи в дизайна и производството на тези механизми осигуряват множество инженерни ползи във връзка с функционалността и ефективността благодарение на високата степен на взаимозаменяемост на отделните компоненти и подвъзли. Така се постига икономична конструкция, която същевременно отговаря на най-високите стандарти за здравина и издръжливост.

Работен принцип и конструктивни специфики

Цилиндричните и конусните редуктори са инструменти за предаване на мощност, използвани предимно за намаляване на скоростта и увеличаване на въртящия момент между въртящи се валове. Те могат да бъдат подразделени в две групи – механизми, които предават енергия между успоредни детайли и такива, които пренасят мощност между непаралелни компоненти, обикновено въведени като зъбни предавки с напречна ос. Въпреки че спираловидните зъбни колела в разрез имат идентична еволвентна форма на зъбите като цилиндричните задвижвания с прави зъби, те се нарязани под ъгъл спрямо вала и посоката на въртене (или наклон на винтовата линия). Това позволява повече от един зъбен елемент да бъде в контакт със съответстващия си по време на един оборот, което дава възможност на предавката да поеме по-голямо натоварване и да бъде по-устойчива на вибрации. Тази конфигурация осигурява на спиралните зъбни механизми и необходимите предпоставки да работят по-тихо и по-плавно от цилиндричните колела с прави зъбни елементи поради споделянето на натоварването.

Благодарение на тези свои възможности спираловидните цилиндрични и конусно-цилиндрични редуктори са предпочитани в редица приложения в съвременното машиностроене пред аналозите си с прави зъбни елементи. Предавките от този тип се състоят от система от зъбни колела с идентична големина на ъгъла на наклон на зъбите, като при зацепващите се елементи той е в противоположна равнина.

За производството на цилиндрични и конусни редуктори с прави или наклонени зъби може да се използва едно и също оборудване, като за втория вариант е необходимо единствено захождане на инструмента (обикновено червячна фреза) към заготовката под съответния ъгъл.

Цилиндричните редуктори с наклонени зъби се подразделят в две групи според устройството си: при едните референтната част на зъбните колела е в равнината на завъртане (напречен модул), а при другите – в стандартната равнина. Ако еталонният компонент е в равнината на завъртане, централната междина е същата като при цилиндричните предавки с прави зъби, стига да са налице идентичен по тип модул и брой зъби. Това позволява лесно взаимно заменяне на двата типа елементи.

Предимства

При цилиндричните и конусни предавки с наклонени зъби зацепването се осъществява постепенно преди следващата секция да влезе в контакт. Това е съществена разлика с редукторите с прави зъби, при които зацепването се извършва едновременно по дължината на цялата контактна повърхност на зъба. Тъй като в един и същи хоризонтален разрез на спираловидните механизми ширината на всеки следващ отделен зъбен елемент нараства, повече зъби са в контакт в сравнение с редукторите с прави зъби във всеки момент, предаването на натоварването се извършва много по-плавно. В резултат се постигат по-голям капацитет на натоварване, потенциал за по-висока скорост на въртене, както и по-безшумна работа, както беше споменато по-горе.

Конструктивните предимства на цилиндричните и конусните редуктори с наклонени зъби са много. Благодарение на силите на натоварване и увеличеното триене при плъзгане между компонентите, спираловидните предавки могат да работя и при по-ниска ефективност от механизмите с прави зъби. По-плавното зацепване и едновременният контакт на повече на брой зъбни елементи правят редукторите с наклонени зъби много по-издръжливи на високи натоварвания, което ги превръща в отлично решение за такива приложения и спомага за удължения им сервизен живот. В допълнение, тези системи притежават еднакъв потенциал за ефективно предаване на мощност и движение между валове както под прав, така и под успореден ъгъл. Така цилиндричните и конусно-цилиндричните предавки със спираловидни зъбни колела се доказват и като много по-гъвкави, тъй като позволяват по-широк набор от механични възли да се изпълняват с едни и същи модулни компоненти. Когато се позиционират под прав ъгъл, в механизма могат да бъдат вложени две десни или две леви предавки в зависимост от желаната посока на въртене на изхода.

Важно преимущество на този тип редуктори е, че при паралелно позициониране могат да бъдат използвани повече на брой зъбни механизми, които да осигурят голям диапазон от предавателни числа и разстояния между входящите и изходящи валове.

При цилиндричните и конусно-цилиндричните предавки под прав ъгъл е налице и по-богат асортимент от диаметри на зъбните колела. Това помага да се постигнат различни съотношения, както и разстояния между валовете. Конструкцията с непресичащи се равнини на валовете предполага, че те са изместени един спрямо друг на разстояние, определено от диаметрите на зъбните колела.

Модификации и приложения

В зависимост от предназначението си цилиндричните, конусните и своеобразните комбинирани редуктори се използват в разнообразни модификации.

Единичните зъбни колела с наклон на зъбните елементи под специфичен ъгъл спрямо централната ос могат да бъдат леви или десни спрямо ориентацията на наклона. Те се използват в различни комбинации и диаметри за постигане на желаните параметри на цялостния механизъм.

Двойните предавки са вариант на единичните, като две зъбни колела са челно разположени едно спрямо друго със съответната междина. Всяка лицева част на детайла има същия по големина, но обратен ъгъл на наклона на зъбите. Подобна конфигурация елиминира натоварванията при натиск и позволява по-голямо припокриване на контактните повърхности на зъбите и по-плавна работа. Тя обикновено се предлага под формата на фабрично капсулован редуктор.

Срещат се и конфигурации тип “рибена кост”, при които отново има челно разполагане на лицата на две или повече зъбни колела със спираловидни зъби, но между тях липсва междина. Този тип предавки типично са по-малки по размери и са предназначени за механизми, при които е налице риск от вибрации или удари. Предимство е конструктивната им стабилност и издръжливост, но не се използват често в масовата практика поради трудностите и по-високите разходи в производството им.

Що се отнася до ефективността, цилиндричните и конусни механизми с наклонени зъби са най-ефективни след планетарните предавки, като работят с до 98% ефективност. Това ги прави едни от най-популярните типове редуктори в съвременното машиностроене, предпочитани в конструирането на обширна гама индустриални машини и промишлена техника. Системите в този сегмент намират широко приложение в производството на оборудване за: стоманодобивния и преработвателния отрасъл, минното дело, енергетиката, корабостроенето, целулозно-хартиената и печатарската индустрия, хранително-вкусовия сектор, полимерната промишленост, нефтения и газов сектор, текстилния отрасъл, производството на металорежещо и металообработващо оборудване, конвейери, асансьори, компресори, вентилатори и много други типове механични системи.

В допълнение към гореизброените приложения, спираловидни цилиндрични, конусни и конусно-цилиндрични предавки се използват приоритетно и при конструирането на тежка и строителна механизация, подемна техника, трошачки, екструдери, смесително оборудване и пр. Сред водещите клиентски сектори на този продуктов сегмент е и автомобилостроенето, където безшумната работа и високата ефективност са водеща цел.

Дебатите дали в даден проект да се вложи цилиндричен/конусен редуктор с прави или наклонени зъби – всеки със своите специфични предимства, обикновено се свеждат до обсъждане на изискванията на конкретното приложение. Ако редукторът ще работи при средна до висока скорост, а шумната работа би била проблем, се залага на механизми със спираловидни елементи. При конструктивни ограничения в пространството или теглото обаче предавките с прави зъби са по-предпочитан вариант, тъй като традиционно изискванията към опорните лагери (носещи осевото натоварване) са занижени. Този тип редуктори обикновено се отличават и с по-ниски производствени разходи, макар разликите да не са толкова съществени. Добавените разноски при предавките с наклонени зъби идват от по-издръжливите лагери (опори) на вала, гарантиращи по-високата стабилност и устойчивост на големи натоварвания на механизмите със спираловидни зъбни елементи.